宇宙的起源与演化

宇宙的起源与演化

摘要：宇宙学是从整体的角度来研究宇宙的起源和演化以及利用理论物理方法研究天体的物理性质和过程的一门学科。随着新兴高科技迅速发展,给与宇宙学相关的各种观测和实验注入了新的活力。什么是宇宙?宇宙是如何起源的?早期宇宙是什么样子的?宇宙是怎样发展演化的?宇宙的基本组成又有那些?本文简单介绍了人类对宇宙的起源与演化发展的认识过程,宇宙的基本组成以及当今热门的大爆炸理论。

1、人类认识宇宙的过程

从古至今，人类一直在探索着存在和生命的意义，可是由于缺乏足够的观测数据，以及怀着以人为本的观念，在古代，无论是东方还是西方，人类都错误的把地球当做是宇宙的中心，他们观察到的实际上只是太阳、地球、月亮、行星等太阳系天体运动的反映，以此基础上建立起来的宇宙理论体系，都没超出太阳系的范围，恒星也只不过是个一成不变的布景或陪衬。这一由古希腊学者欧多克斯提出，后经亚里士多德、托勒密进一步发展而逐渐建立和完善起来地心说体系一直维持了2000多年，只到哥白尼在1543年发表的《天体运行论》中提出了日心说，认为地球并不位于宇宙中心，从而把宇宙的中心从地球挪向了太阳。在此后的18、19世纪，太阳系天文学发展到鼎盛时期，人类发现了太阳系中的所有行星。与此同时，人类的视野也逐渐从太阳系扩展到银河系这个广阔的恒星世界。

进入二十世纪，由于物理基础理论的进一步发展和完善，以及制造水平的提高，宇宙学开始迅速发展，通过观察和演算，人们进一步的了解和认识宇宙。1917年爱因斯坦将广义相对论理论应用到整个宇宙，发表了标志着物理宇宙学建立的论文《根据广义相对论对宇宙学所做的考察》，但是从广义相对论出发建立的宇宙模型不是静态的，这和当时相信静态宇宙的主流观点并不符合，因此爱因斯坦在场方程中加入了一个宇宙学常数来进行修正。得到一个静态的宇宙。1924年，哈勃发现了仙女座大星云中的造父变星，根据周期—光度关系推算出它远在银河系之外，是尺度同银河系相当的巨大恒星系统。这一发现将人类认识的宇宙范围从恒星组成的银河系扩展到由众多星系组成的更广阔的世界。1929年，哈勃又通过观测发现了红移定律，得出河外星系视向退行速度与距离成正比 v=Hd，即哈勃定律，又称哈勃效应，H是哈勃常数。从此宇宙演化的观念开始进入人类的意识，也就是说宇宙不可能是一直处于稳定的状态。可以说哈勃的发现是现代宇宙论诞生的开端。第二次世界大战以后，宇宙膨胀的观点引出了两种互相对立的理论：一种理论是由勒梅特提出，乔治·伽莫夫支持和完善的大爆炸理论。另一种理论则是英国天文学家弗雷德·霍伊尔等人提出的稳恒态宇宙模型。在稳恒态宇宙模型里，新物质在星系远离留下的空间中不断产生，从而宇宙在任何时候看上去都基本不变化。具有讽刺意味的是，大爆炸理论的名称却是来自霍伊尔提到勒梅特的理论时所用的称呼，之后的许多年，这两种理论并立，但是随后的一系列观测证据使天平逐渐向大爆炸理论倾斜。

2、基于大爆炸理论的宇宙起源与演化

目前为科学界所普遍接受的宇宙起源理论认为，宇宙诞生于距今约137亿年前的一次“大爆炸”。宇宙微波背景辐射被认为是“大爆炸”的“余烬”，均匀地分布于整个宇宙空间。“大爆炸”之后的宇宙温度极高，之后30多万年，随着宇宙膨胀，温度逐渐降低，宇宙微波背景辐射正是在此期间产生的，并且是可以观测的。1964年，两位无线电工程师阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊在使用贝尔实验室的一台微波接收器进行诊断性测量时，意外发现了宇宙微波背景辐射的存在，这种辐射被观测到是各向同性的，并且对应的黑体辐射温度为3K。宇宙微波背景辐射的发现和确认使绝大多数物理学家都相信：大爆炸是能描述宇宙起源和演化最好的理论。现在宇宙物理学的几乎所有研究都与宇宙大爆炸理论有关，或者是它的延伸，或者是进一步的解释。1998年，霍金发表了重要论文《没有假真空的开放爆炸》等，完整的揭示了：宇宙是由无通过量子跃迁创生的。创生之初的宇宙是一个果壳状的四维欧式球面，它演化为洛仑磁时空时，巨大的真空能量使宇宙暴胀，速度超过光速，当真空能都转化为物质能，暴胀停止，宇宙开始热化引发了大爆炸，并将永远膨胀下去。霍金的这一理论模型被认为是迄今为止对宇宙起源的最好解释。

可以说，从1948年伽莫夫建立热大爆炸的观念以来，经过几十年的努力，宇宙学家为我们勾画出了这样一部宇宙演化史：

根据哈勃常数可以推算大约150亿年前，宇宙起始于一个奇点。

大爆炸开始时，约137亿年前，极小体积，极高密度，极高温度。  　　

大爆炸前10~43秒，宇宙从量子背景出现。  　　

大爆炸前10~35秒，同一场分解为强力、电弱力和引力。  　　

大爆炸前10~5秒，10万亿度，质子和中子形成。  　　

大爆炸后0.01秒，1000亿度，光子、电子、中微子为主，质子中子仅占10亿分之一，热平衡态，体系急剧膨胀，温度和密度不断下降。  　　

大爆炸后0.1秒后，300亿度，中子质子比从1.0下降到0.61。  　　

大爆炸后1秒后，100亿度，中微子向外逃逸，正负电子湮没反应出现，核力尚不足束缚中子和质子。  　　

大爆炸后13.8秒后，30亿度，氘、氦类稳定原子核（化学元素）形成。  　　

大爆炸后35分钟后，3亿度，核过程停止，尚不能形成中性原子。  　　

大爆炸后30万年后，3000度，化学结合作用使中性原子形成，宇宙主要成分为气态物质，并逐步在自引力作用下凝聚成密度较高的气体云块，直至恒星和恒星系统。

3、宇宙的基本组成

3.1 恒星

恒星的演化开始于巨分子云。一个星系中大多数虚空的密度是每立方厘米大约0.1到1个原子，但是巨分子云的密度是每立方厘米数百万个原子。一个巨分子云包含数十万到数千万个太阳质量，直径为50到300光年。在巨分子云环绕星系旋转时，一些事件可能造成它的引力坍缩。巨分子云可能互相冲撞，或者穿越旋臂的稠密部分。邻近的超新星爆发抛出的高速物质也可能是触发因素之一。最后，星系碰撞造成的星云压缩和扰动也可能形成大量恒星。坍缩过程中的角动量守恒会造成巨分子云碎片不断分解为更小的片断。质量少于约50太阳质量的碎片会形成恒星。在这个过程中，气体被释放的势能所加热，而角动量守恒也会造成星云开始产生自转之后形成原始星。恒星形成的初始阶段几乎完全被密集的星云气体和灰尘所掩盖。通常，正在产生恒星的星源会通过在四周光亮的气体云上造成阴影而被观测到，这被称为博克球状体。质量非常小（小于0.08太阳质量）的原始星的温度不会到达足够开始核聚变的程度，它们会成为褐矮星，在数亿年的时光中慢慢变凉。大部分的质量更高的原始星的中心温度会达到一千万开氏度，这时氢会开始聚变成氦，恒星开始自行发光。核心的核聚变会产生足够的能量停止引力坍缩，达到一个静态平衡。恒星从此进入一个相对稳定的阶段。如果恒星附近仍有残留巨分子云碎片，那么这些碎片可能会在一个更小的尺度上继续坍缩，成为行星、小行星和彗星等行星际天体。如果巨分子云碎片形成的恒星足够接近，那么可能形成双星和多星系统。当恒星燃烧殆尽时，会以三种可能的冷态之一作为终结：白矮星，中子星和黑洞。

3.2 黑洞

如果恒星的质量足够大，且内核质量要超过3.2倍太阳的质量，这时塌缩过程中中子都会被压碎，最后恒星塌缩直到半径小于史瓦西半径，就会成为一个黑洞。史瓦西半径是卡尔·史瓦西于1915年针对广义相对论方程关于球状物质分布的解，此解的一个结果是可能存在黑洞。史瓦西半径的公式：r=Gm/c^2当中，r 代表史瓦西半径，G 代表万有引力常数，m 是天体质量，c^2代表光速的平方值，太阳的史瓦西半径约为3千米，地球的史瓦西半径只有约9毫米。

可以说黑洞是一种引力极强的天体，就连光也不能逃脱。我们现行的一切物理规律和定理都对其无效，但是当代的宇宙学家们发现，黑洞对我们现今的宇宙的形成起着至关重要的作用，正是由于黑洞，星系才能形成，才会演变形成太阳、地球以至人类。

3.3 暗物质与暗能量

进入二十一世纪，通过进一步的观测与计算，宇宙学家们发现人类能够看到的宇宙中其实只是很小的一部分，宇宙中普通物质只占4%，23%的物质为暗物质，73%是暗能量。

什么是暗物质呢？暗物质是不发光的，但是它有显著的引力效应。比如，对于一个星系考虑距其中心远处的天体的旋转速度，如果物质存在的区域和光存在的区域是一样的话，由牛顿引力定律可知，距离中心越远，速度应该越小。可是天文观测事实不是这样的，这就说明当中有看不见的暗物质。目前各种天文观测和结构形成理论强有力地表明宇宙中有大约三分之一是暗物质。中微子是一种暗物质粒子，但它的质量是非常小的，在暗物质中只能占微小的比例，绝大部分应是所谓的中性的弱作用重粒子。它们究竟是什么目前还不清楚。理论物理学家猜测，它们可能是超对称理论中的最轻的超对称粒子，是稳定的，在宇宙演化过程中像微波背景光子一样被遗留下来。目前世界各国科学家进行着各种加速器和非加速器实验，试图找到这种暗物质粒子。

暗能量是近年宇宙学研究的一个里程碑性的重大成果。支持暗能量的主要证据有两个。一是对遥远的超新星所进行的大量观测表明，宇宙在加速膨胀，星系膨胀的速度不象哈勃定律描述的那样，是恒定的，而是在不断加速。按照爱因斯坦引力场方程，加速膨胀的现象推论出宇宙中存在着压强为负的"暗能量"。另一个证据来自于近年对微波背景辐射的研究精确地测量出宇宙中物质的总密度。但是，我们知道所有的普通物质与暗物质加起来大约只占其1/3左右，所以仍有约2/3的短缺。这一短缺的物质称为暗能量，其基本特征是具有负压，在宇宙空间中几乎均匀分布或完全不结团。最近观测数据显示，暗能量在宇宙中占总物质的73%。值得注意的是，对于通常的能量（辐射）、重子和冷暗物质，压强都是非负的，所以必定存在着一种未知的负压物质主导今天的宇宙。然而现在物理学的基本理论还无法解释观测到的这一暗能量。暗能量是二十一世纪物理面临的最大的挑战。物理学对暗能量这种新类型物质的探索才刚刚开始。众说纷纭，但仅仅是一些猜测和设想，远没有形成一个基本合理的解释。科学家正在计划发射新的探测卫星，对于宇宙大尺度空间进行更多更精确更系统的观测，进一步研究宇宙加速膨胀的规律，确定暗能量的形式和物理特征，不同的暗能量形式将导致非常不同的宇宙膨胀的规律。解决这一问题需要新的理论，这样的理论一旦被找到，很可能是人们长期追求的包括引力在内的各种相互作用统一的量子理论，而这必将是一场重大的物理学革命。

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